電機驅動系統：實現“Electrify Our World”的下一代解決方案

電機驅動系統消耗了歐洲近50%的電力 [1]，因此政府制定了相關法規和標準，以確保盡可能高效地使用電力，同時盡量減少對電網的影響和擾亂。目前變速驅動系統（VSD: Variable Speed Drives）在工業領域中應用廣泛，與傳統的恒速感應電機系統相比，它們可降低高達90%的能耗[2]，同時具有減小電機尺寸、提高動態性能和可靠性等優勢。

IEC 61000等標準旨在支持電網中電氣設備的抗擾度和輻射等方面，因為電機驅動器呈現的大感性負載會顯著影響本地電網的穩定性。為了滿足這些標準的要求，電機驅動系統中已經采用了包括有源功率因數校正（PFC：Power Factor Correction）在內的多種技術，將失真波形調制回正弦波，以最大化電網供電的有效功率。

GaN有效提升系統性價比

GaN器件作為一種寬禁帶半導體，與傳統Si基半導體的同等級產品相比，它具有卓越的性能，其中包括開關速度提高20倍和功率密度提高3倍以上等優勢。將GaN功率器件集成到PFC和電機驅動系統的逆變級中，可顯著降低功耗和減小系統尺寸，從而實現逆變器與電機的緊湊集成。本文將詳細介紹納微半導體創建的400W電機集成逆變器參考設計方案。

GaN FET不存在任何反向恢復電荷，可實現極快的開關速度，因此開關損耗比Si基IGBT和MOSFET低4~5倍，總功率損耗可以降低約50%。功耗降低意味著器件發熱量的減少，從而有效減小散熱器的尺寸，甚至在某些低功耗驅動器中可以棄用散熱器。散熱器級別機加工鋁的成本在2021年達到了13年來的最高水平，價格約為8美元/kg，因此最大限度地減小散熱器尺寸可以顯著降低總系統成本。此外，由于系統重量減輕，運輸成本也將隨之降低。

極低的開關損耗和無反向恢復損耗相結合，使開關頻率具有了新的自由度，而且變頻器也實現了熱設計優化。電機集成逆變器的工作條件很嚴酷，除了振動和強磁場外，環境溫度可能會升高，這使得功率器件的冷卻變得棘手，因此最好采用不會產生大量熱量的功率器件開始。

高集成度有效提高電機驅動器的效率、

控制性能和魯棒性

GaNSense技術將GaN功率器件優異性能與相關驅動、保護和動態感測等功能集成在一起，使其成為高可靠性電機驅動應用的理想選擇。經過優化的柵極驅動電路具有相應的穩壓電路和包括過溫和過流檢測在內的保護電路，具有自主的自我保護功能。所有這些功能都是完全集成的，從而具有卓越的性能和最高的可靠性。輸入信號可以采用簡單的數字信號控制，無需外部元件進而縮小PCB面積，從而可以將緊湊型電機驅動器安裝在電機外殼中，這對于電機驅動系統小型化非常有利。

1.采用納微半導體 GaNSense技術的高集成度

GaNFast IC 簡化框圖

與分立Si基器件或分立GaN器件相比，GaNSense技術可以在30ns內實現檢測和保護，比Si基器件或GaN分立器件快6倍，從而提高系統可靠性，更多細節請參考在應用筆記 AN015 中的說明。

與安裝在散熱器上的傳統低精度溫度傳感器相比，在功率開關上集成溫度控制可提供更高的精度和實時監測。這對于不易維修的電機集成驅動系統至關重要，尤其是在需要最高可靠性和較長正常運行時間的工業環境中。內置的過溫保護電路將在超過設定溫度時關斷GaN IC，從而實現系統的快速保護。

GaNSense技術中無損耗電流檢測的優勢消除了對大體積且昂貴的分流電阻器的需求，從而顯著減小了系統尺寸和降低成本，同時又維持了快速過流保護，能夠實現工廠自動化中工業電機驅動器所需的系統魯棒性。

此外，總體元件數量的減少可以顯著降低時間故障（FIT：Failures in Time）率，提高系統可靠性。納微半導體于近期宣布對其氮化鎵產品提供20年有限質保，這也是業界廠商首次強調其產品卓越可靠性。

納微半導體推出了全新半橋拓撲結構GaN功率IC系列產品，如表1所示。由于該系列GaN功率半橋IC產品引腳兼容且具有不同RDSON值，因此設計中可輕松實現向上或向下功率擴展。

表 1 Navitas半橋結構GaN功率IC產品陣容

上述所有全新半橋產品均采用節省空間的PQFN封裝，可實現與PCB良好的熱連接以及低寄生電感和電阻，并展現出與納微半導體單一功率器件相同的魯棒性和可靠性，特別是高瞬態電壓能力（連續650V及瞬時800V）。該系列產品享有納微半導體最近承諾的20年受限質保，有關產品性能和魯棒性的更多信息，請在www.navitassemi.com參見各自的數據手冊[3]和應用筆記AN-018[5]。

電機集成逆變器參考設計

GaN功率IC在半橋拓撲中的適用性使緊湊型電機逆變器能夠得以輕松實現，如下圖2所示。

圖2 連接到BLDC電機背面的400W電機逆變器

直徑56mm的功率級PCB

上述逆變器由納微半導體的3個半橋GaN功率IC即包含輸入邏輯電路、電平轉換器、穩壓器和柵極驅動器、電流和溫度檢測電路以及自舉電源的全新NV6247組成，因此外部元件數量非常少。

逆變器3個橋臂其中1個的原理圖如圖3所示，圖中給出其中第2相的電路，3相的電路都是相同的。電路主要元件是集成了半橋配置中的兩個功率開關器件、柵極驅動器及其穩壓器以及PWM輸入邏輯電路的NV6247，其內置自舉電路用于為P側驅動器提供柵極驅動電源，其內部還內置一個電平轉換器，因此輸入信號可以接地參考，使該器件成為最佳意義上的數字可控功率級。

此外，這款IC還包括多種感測功能。首先流過N側GaN功率FET的電流在內部檢測，然后在電流檢測輸出引腳（CS）上轉換為電流信號，其次可以通過柵極驅動器上的電路檢測器件結溫，并在過溫時用于關斷功率器件。

這款IC外圍引腳包括高邊GaN功率FET漏極引腳（VIN，連接到VBUS）、半橋中點開關節點引腳（VSW，連接到PHB）、低邊GaN功率FET源極 和IC GND引腳（PGND）、低邊IC電源引腳 （VCC）、 低邊柵極驅動電源引腳 （VDDL）、低邊開通dV/dt控制引腳 （RDDL）、低邊 5V 電源引腳（5VL）、低邊參考 PWM 輸入引腳（INL，INH）、低邊電流檢測輸出引腳（CS）、自動待機使能輸入引腳（/STBY）、高邊電源引腳（VB）、P 側 高邊柵極驅動電源引腳（VDDH）和高邊 5V 電源引腳（5VH）。IC的低邊外圍元件包括連接在VCC引腳和 PGND 引腳之間的VCC電源電容（CVCC）、連接在VDDL引腳和PGND引腳之間的VDDL電源電容（CVDDL）、連接在VDDL引腳和RDDL引腳之間的開通dV/dt設置電阻（RDDL）、連接CS引腳和PGND引腳之間的電流檢測幅度設置電阻（RSET）、5VL引腳和PGND引腳之間連接的5V電源電容（C5VL），以及自動待機使能引腳（/STBY） 連接到PGND引腳 以啟用自動待機模式或連接到5VL以禁用自動待機模式。IC的外圍元件包括連接在VB引腳和VSW引腳之間的VB電源電容（CVB）、連接在VDDH引腳和VSW引腳之間的VDDH電源電容（CVDDH）以及連接在5VH引腳和VSW引腳之間的5V電源電容（C5VH）。必須謹慎選擇高邊VB、5VH和VDDH旁路電容，以適應高邊喚醒時間、高邊保持時間和待機功率等各種系統考慮因素。在電路圖右側可以看到VBUS阻隔電容，PCB中允許使用薄膜電容或電解電容，它們的目的是抑制由電源中的寄生電感和開關動作而可能產生的任何類型的振鈴，因為該電路板是為直流輸入而設計的。R17和C18可用于抑制開關節點上可能由長電纜及其電感引起的振鈴，并且是可選的。

圖3 逆變器單一橋臂的原理圖

（除GaN功率IC外，外部元件很少）

值得注意的是，該IC中功率器件的開關速度可以通過外部電阻（本例中為R7）進行調整。雖然降低開關速度確實會增加開關損耗，但影響并不大，因為開關損耗本身就非常低。這樣一來，開關速度可以調整到電機需要的任何范圍，并且可以調整產生的EMI以符合所有必需的規定，且可以縮小EMI濾波器組件的尺寸，經驗表明這個電阻選為50Ω是一個很好的起點。

CS引腳上的電阻R8可由微控制器及其ADC輸入根據需要設置，以適當調整電壓。但是如果該引腳上的電壓超過1.9V，則會觸發過流保護。需要注意的是，CS引腳上電阻的選擇既會影響功率級電流對應的電壓，也會對過流保護功能產生影響。

自動待機模式旨在降低NV6247在沒有開關動作時的功耗。如果在超過~90μs內未檢測到更多輸入脈沖，IC將自動進入低功耗待機模式，從而將禁用柵極驅動和其他內部電路，并將VCC電源電流降低到更低水平。當INL脈沖重新啟動時，IC將在INL引腳輸入信號的第1個上升沿延遲（通常約為450ns）后喚醒，并再次進入正常工作模式。

性能測試結果

上述逆變器是在納微半導體應用工程實驗室設計和生產制造的，并可提供完整的設計文檔。逆變器與BLDC 電機和機械負載一起在如下工作條件下進行了測試：直流輸入電壓300V、環境溫度25°C及開關頻率為20kHz的FOC（磁場定向控制）算法。從PCB到環境的熱阻測量為~12.5K/W。圖4給出了最終的逆變器效率曲線，此時僅考慮電輸出功率與輸入功率而不考慮電機效率，在輸出功率300W時的效率接近99%。雖然逆變器的效率通常比電機效率高得多，但了解逆變器中產生的損耗仍然很重要，以便相應地設計冷卻系統。滿載時功耗為<3W，散熱器體積可以大大減小，系統的散熱設計也容易得多，最終避免了通常與安裝大型散熱器相關的大量手動組裝工作。圖4中兩條曲線對應于不同轉換速度設置（紅色=20V/ns，藍色=40V/ns），結果差異相當小。

圖4 整個輸出功率范圍內逆變器的效率接近99%

圖5展示了在300W輸出負載下運行逆變器時PCB整體溫度分布。環境溫度為25°C時，封裝表面溫度保持在60°C以下，考慮到損耗非常低，這并不奇怪。由于PQFN封裝功率開關與PCB的熱連接良好，因此最大功率輸出受到PCB允許溫度（通常為105°C）的熱限制。GaN功率開關本身確實可以承受更高的溫度，因此這種設計既具有出色的可靠性，又具有出色的魯棒性，適用于可能會使功率開關溫度非常迅速地升高的輸出短路或轉子失速等異常工作條件，直到控制器或內置過溫保護電路可以做出反應。

圖5逆變器電路板熱掃描圖像

（有益于逆變器的低損耗，電路板表面溫度相對較低）

總結：GaNSense半橋IC可提高效率并降低成本

不同電機系統有著不同的具體要求，但整體趨勢是相同的：更高的效率、更好的性能和更低的成本。GaNSense半橋功率IC可實現更高的系統效率和性能，同時降低整個系統的總成本。

GaNSense半橋功率IC提供了最高級別的集成度，內置驅動、電源、保護和檢測等多項功能，使電機集成逆變器具有出色的性能和可靠性。

審核編輯：劉清